DE3037888C2

DE3037888C2 -

Info

Publication number: DE3037888C2
Application number: DE3037888A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Okayama; Takashi Katsuta Jp Kugaya
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-08
Filing date: 1980-10-07
Publication date: 1991-12-19
Also published as: GB2060184A; DE3037888A1; BR8006417A; JPS5653404A; GB2060184B; US4362060A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein typisches Beispiel einer solchen Meßschaltung weist einen Halbleiterfühler auf. Ein Halbleiterfühler, der aus einer Membran aus Einkristallsilizium mit einer Oberfläche mit druckempfindlichen Elementen, wie diffundierte monolithische Meßwiderstände besteht, ist weit verbreitet. Wenn die Membran des Halbleiterfühlers einer mechanischen Ortsänderung bzw. einer mechanischen Verschiebung ausgesetzt ist, auf Grund von Spannung, Belastung, Verwindung oder dergleichen, unterliegen die Widerstandswerte der druckempfindlichen Elemente einer Änderung auf Grund des piezoelektrischen Effekts der Elemente, wodurch ein elektrisches Signal, das die mechanische Verschiebung proportional wiedergibt, erzeugt wird. Ein Weg-Meßwertwandler mit einem derartigen Halbleiterfühler ist in einer sogenannten "Zweidraht- Übertragungsschaltung" gemäß der US-PS 40 71 823 erläutert. Im folgenden erfolgt im wesentlichen eine Erläuterung einer solchen Zweidraht-Übertragungsschaltung.

Die Zweidraht-Übertragungsschaltung wird als Einrichtung zur Messung von Druck oder Differenzdruck bei verschiedenen Meßgerätesystemen verwendet und enthält an der Meßseite einen Fühler zum Erzeugen eines Spannungssignals proportional einem zu messenden Druck oder Differenzdruck, eine Konstantstromschaltung zum Versorgen einer Erregerschaltung zum Erregen bzw. Ansteuern des Fühlers mit Strom oder Spannung und einen Ausgangsverstärker zum Verstärken des von dem Fühler abgegebenen Spannungssignals und zum Umsetzen des Spannungssignals in ein entsprechendes Stromsignal, das dann einer Zweidraht-Übertragungsschaltung zugeführt wird. Andererseits enthält der Empfangsschaltungsteil der Übertragungsschaltung für den Empfang des Meßsignals von der erwähnten Meßschaltung eine Reihenschaltung aus einem Lastwiderstand und einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle, die mit der Zweidraht-Übertragungsschaltung verbunden sind.

Die druckempfindlichen Elemente des Halbleiterfühlers sind in einer Brückenschaltung angeordnet. Folglich tritt, wenn die druckempfindlichen Elemente oder die Meßwiderstandselemente eine nichtlineare Charakteristik aufweisen, eine Nichtlinearität, genauer eine Signalkomponente, die einem Term entspricht, der proportional dem Quadrat der gemessenen Größe ist, in sich ändernder Form in dem erzeugten Spannungssignal auf als Funktion der Änderung der zu messenden Größe, wodurch möglicherweise Meßfehler auftreten können, da das Ausgangssignal von dem Halbleiterfühler linear durch den Ausgangsverstärker verstärkt und zur Empfangsschaltung übertragen wird.

Eine Möglichkeit, die Nichtlinearität des Ausgangssignals eines Halbleiterfühlers zu korrigieren, ist in der JP-OS 1 49 353/1978 angegeben. Gemäß diesem Vorschlag ist eine Korrekturschaltung, die eine Korrekturkonstante vorgibt, mit dem Eingang des Ausgangsverstärkers verbunden, um eine Korrekturspannung zu erzeugen, die durch die vorgegebene Korrekturkonstante und das Ausgangssignal des Halbleiterfühlers bestimmt wird, wobei die so abgeleitete Korrekturspannung dem Halbleiterfühler zugeführt wird. Nach diesem Vorschlag kann man lediglich die Nichtlinearitätsanteile entweder mit der positiven oder mit der negativen Polarität korrigieren. Folglich sind zwei Sätze von Korrekturschaltungen erforderlich, wenn sowohl die positiven als auch die negativen Anteile der Nichtlinearitäten des Meßsignals zu korrigieren sind.

In der US-PS 35 10 696 ist eine Meßverstärkerschaltung gezeigt, an deren Eingang eine Brückenschaltung liegt, in deren Zweigen Fühler angeordnet sind, deren Widerstand eine Funktion der zu ermittelnden Meßgröße ist. Ein Teil der Verstärkerausgangsspannung wird zu dessen Eingang zurückgeführt, um durch Änderung der Erregung der Brücke die Übertragungscharakteristik der Verstärkerschaltung zu beeinflussen. Damit ist jedoch im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung mit nur einer Meßverstärkerschaltung eine gemeinsame Korrektur sowohl der positiv als auch der negativ gerichteten Anteile nichtlinearer Verzerrungen nicht möglich.

Eine weitere Brückenschaltung mit Fühlerelementen und nachfolgendem Verstärker ist in der US-PS 40 57 755 beschrieben. Hierbei wird die Ausgangsspannung einer Hilfsspannungsquelle mittels einer Servosteuerung so eingestellt, daß sie die der Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers folgt. Nach Brückenabgleich dient die Hilfsspannungsquelle zur Speisung der Brücke. Sowohl der zugrunde liegende Lösungsgedanke als auch die eingesetzten Mittel unterscheiden sich weitgehend von der vorliegenden Erfindung.

Noch eine Brückenschaltung mit nachfolgendem Verstärker ist durch die US-PS 38 17 104 bekanntgeworden. Der Verstärker arbeitet mit einer Gegenkopplung. Mit dieser Anordnung können jedoch nicht wie bei der vorliegenden Erfindung sowohl positiv als auch negativ gerichtete Anteile nichtlinearer Verzerrungen gemeinsam kompensiert werden.

Schließlich ist in der US-PS 33 50 927 eine Meßbrücke mit nachfolgendem Verstärker offenbart, bei der der Brückenstrom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Verstärkers mittels einer Servoschaltung eingestellt wird. Weder die Lösungsmittel, insbesondere deren elektromechanische Bestandteile, noch der zugrunde liegende Lösungsgedanke, stimmen mit der vorliegenden Erfindung überein, obwohl mit der offenbarten Anordnung sowohl positiv als auch negativ gerichtete Anteile nichtlinearer Verzerrungen gemeinsam kompensiert werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßschaltung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen zu schaffen, mit der sowohl positiv als auch negativ gerichtete Anteile nichtlinearer Verzerrungen gemeinsam korrigierbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Meßschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Meßschaltung gemäß der Erfindung kann ganz allgemein als Verstärkerschaltung zur Korrektur von Nichtlinearitäten von Meßfühlern eingesetzt werden.

Bei Meßfühlern streuen die Nichtlinearitäten insbesondere nahe dem Nullpunkt sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Wenn deshalb die Nichtlinearitäten in beiden Richtungen mit ein und derselben Schaltung kompensiert werden können, wird nicht nur die Korrektur vereinfacht, sondern die Schaltung kann auch so bemessen werden, daß der Fehler des Fühlers minimal wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Meßschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 bis 4 andere beispielhafte Ausführungsformen der Meßschaltung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Meßschaltung, bei der die elektrische Leistung für die gesamte Meßschaltung von einer Gleichspannungsquelle 4 stammt, die auf der Seite einer Empfangsschaltung mit einem Lastwiderstand 6 und einer Übertragungsleitung vorgesehen ist.

In der Meßschaltung ist eine Konstantstromschaltung 5 vorgesehen zur Konstantstromversorgung sowohl eines Fühlers 20, als auch einer Erregerschaltung 25, einer Korrekturschaltung 24 und eines Ausgangsverstärkers 1 unabhängig von Änderungen der Spannung der Gleichspannungsquelle 4 und Änderungen des Spannungsabfalls, der über dem Lastwiderstand 6 erzeugt wird.

Der Fühler 20 weist einen Halbleiter-Dehnungsmesser auf, der eine Membran aus einem Einkristallsilizium enthält, auf der druckempfindliche Elemente R_g1, R_g2, R_g3 und R_g4 aufgebracht sind, wie diffundierte monolithische Meßwiderstandselemente. Die druckempfindlichen Elemente R_g1 . . . R_g4 sind in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet, die durch einen Strom I_s erregt wird, der einem Anschluß c zugeführt ist. Ein Spannungssignal V₀, das proportional dem gemessenen Druck ist, tritt zwischen Ausgangsanschlüssen b und d auf und wird dem Ausgangsverstärker 1 zugeführt.

Die Erregerschaltung 25 besteht aus einer Zenerdiode 21, die als spannungsstabilisierendes Element für eine Konstantspannung V_z dient, einem Spannungsteiler aus Widerständen R₁ und R₂ zur Erzeugung einer Referenzspannung V_R für den dem Fühler 20 zugeführten Erregerstrom I_s, einen Erregerstrom-Erfassungswiderstand R₃ zum Erfassen des durch den Fühler 20 fließenden Erregerstroms I_s, einem Operationsverstärker 22 zum Steuern des dem Fühler 20 zugeführten Erregerstroms I_s abhängig von einer Abweichung der über dem Erregerstrom-Erfassungswiderstand R₃ abfallenden Spannung V₁ von der Referenzspannung V_R (die teilweise durch die Korrekturschaltung 24 gesteuert wird), die von dem Spannungsteiler R₁, R₂ abgeleitet ist, und einem Transistor 23 zum Versorgen des Fühlers 20 mit Erregerstrom I_s abhängig vom Ausgangssignal des Operationsverstärkers 22. Der Transistor 23 und der Erregerstrom-Erfassungswiderstand R₃ sind mit dem Fühler 20 an der Ausgangsseite c des Fühlers 20 angeschlossen. Auf diese Weise wird der Fühler 20 durch den Erregerstrom I_s erregt, der proportional zur Referenzspannung V_R ist, die durch die Erregerschaltung 25 und die Korrekturschaltung 24 bestimmt ist.

Die Korrekturschaltung 24 enthält einen ersten Spannungsteiler mit festem Teilerverhältnis, das durch Festwiderstände R₀₁ und R₀₂ bestimmt ist, und einen zweiten Spannungsteiler mit veränderbarem Spannungsteilerverhältnis, das durch einen veränderbaren Widerstand R_x bestimmt ist. Der erste und zweite Spannungsteiler sind parallel geschaltet und haben gemeinsame Anschlüsse e und f. Der Anschluß e der Korrekturschaltung 24 ist mit einem der Ausgangsanschlüsse des Ausgangsverstärkers 1 verbunden, während der Anschluß f mit dem Empfangsschaltungs-Abschnitt über eine Leitung einer Zweidraht-Übertragungsleitung verbunden ist. Die Korrekturschaltung 24 dient zum Korrigieren der Nichtlinearität des Ausgangssignals vom Ausgangsverstärker 1 durch Rückkoppeln eines Teils des Ausgangsstroms I₀ des Ausgangsverstärkers 1 zur Erregerschaltung 25. Zu diesem Zweck ist der feste Spannungsteilerpunkt des ersten Spannungsteilers R₀₁, R₀₂ mit einem Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 21 und dem Erfassungswiderstand R₃ verbunden, während der Abgriffspunkt der veränderbaren Spannung des zweiten Spannungsteilers R_x mit dem Widerstand R₂ verbunden ist, wodurch eine zur Ausgangsspannung V₀ des Fühlers 20 proportionale Spannung V_f zwischen den Anschlüssen e und f auftritt. Durch Einstellen des Teilerverhältnisses des zweiten Spannungsteilers R_x zur Bestimmung des Rückkopplungsverhältnisses der Spannung V_f zur Referenzspannung V_R wird die Nichtlinearität des vom Fühler 20 kommenden Ausgangssignals V₀ korrigiert.

Im übrigen dient die Zenerdiode 21 der Erregerschaltung 25 zum Stabilisieren derjenigen Eingangssignale, die dem Ausgangsverstärker 1, der Erregerschaltung 25, dem Fühler 20 bzw. der Korrekturschaltung 24 zugeführt werden, und stabilisiert außerdem eine nicht dargestellte Versorgungsquelle für den Operationsverstärker 22 und den Ausgangsverstärker 1.

Der Ausgangsstrom I₀ kann nach der Korrektur der Nichtlinearitäten durch die Korrekturschaltung 24 von Anschlüssen 7 und 8 des empfangsseitigen Lastwiderstands 6 abgenommen werden.

Im folgenden wird die Korrektur der Nichtlinearität, die durch die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erreicht ist, ausführlich dargelegt.

Unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Druck/Wider stands-Charakteristik der druckempfindlichen Elemente R_g1, R_g2, R_g3 und R_g4 kann die der Ausgangsspannung V₀ (Spannung der unabgeglichenen Brückenschaltung) des Fühlers 20 entsprechende Spannung V_f als Funktion f(p) des Drucks p und des Erregerstroms I_s für den Fühler 20 ausgedrückt werden gemäß:

V_f = f(p)I_s (1).

Weiter kann der Erregerstrom I_s in Abhängigkeit vom Er regerstrom-Erfassungswiderstand R₃ und der daran abfallenden Spannung V₁ ausgedrückt werden gemäß:

I_s = V₁/R₃ (2).

Das heißt, der Erregerstrom ergibt sich zu:

mit
V_z = Z- oder Durchbruchsspannung der Zenerdiode 21, und
x = eine Variable, die durch Einstellen des veränderbaren Widerstands R_x der Korrekturschaltung 24 kontinuierlich über sowohl den positiven als auch den negativen Bereich festgelegt werden kann.

Die Variable x entspricht dem Rückkopplungsverhältnis der Spannung V_f zum Erregerstrom I_s. Die Variable x ist Null, wenn die durch die Widerstände R₀₁ und R₀₂ des ersten festen Spannungsteilers erzeugte Spannung gleich der vom Abgriff des Widerstands R_x des veränderlichen zweiten Spannungsteilers abgegriffenen Teilspannung ist. Wenn der Abgriff des veränderlichen Spannungsteilers R_x in der Fig. 1 in Richtung auf den Anschluß e bewegt wird, wird der Wert von x erhöht. Andererseits wird, wenn der Abgriff in Richtung auf den Anschluß f bewegt wird, der Wert von x verringert.

Unter der vereinfachenden Annahme, daß der durch die Korrekturschaltung 24 fließende Strom lediglich der vom Ausgangsverstärker 1 gelieferte Strom I₀ ist, und daß jeder Strom außer dem Strom I₀ vernachlässigbar klein ist, ergibt sich gemäß der Beziehung:

mit y = Teilerverhältnis des zweiten veränderlichen Spannungsteilers R_x. Wenn der Abgriff von der dem Anschluß e gegenüberliegenden Stellung zu der dem Anschluß f gegenüberliegenden Stellung bewegt wird, ändert sich y von Null auf Eins.

Aus den Gleichungen (1) und (3) ergibt sich die der Ausgangsspannung V₀ (Spannung der unabgeglichenen Brücke) des Fühlers 20 proportionale Spannung V_f gemäß:

mit I₀ = zur Spannung V_f proportionaler Ausgangsstrom. Aus der obigen Gleichung (4′) ergibt sich, daß der f(p)² enthaltende Term durch Ändern des Werts von x beliebig geändert werden kann. Der Term f(p) enthält primär Terme p und p², wobei der Term p² geringeren Wert besitzt als der Term p. Folglich kann der Term p² in f(p) durch den Term xp² ausgelöscht werden, der der Hauptterm von x · f(p)² ist.

Wie sich aus den vorstehenden Betrachungen der Gleichung (4′) ergibt, kann die Beziehung zwischen dem Druck p, der hier die zu messende Größe ist, und dem Ausgangsstrom I₀, der dem Ausgangssignal des Fühlers 20 entspricht, am ehesten durch eine Gerade in dem interessierenden Druckbereich angenähert werden, indem der Wert für die Variable x durch entsprechendes Einstellen des Abgriffspunktes des einstellbaren Spannungsteilers R_x der Korrekturschaltung 24 festgelegt wird. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Variable x einen positiven Wert annimmt, wenn die positive Nichtlinearität auf Grund eines negativen Wertes des Terms p² von f(p) zu korrigieren ist, während x einen negativen Wert annimmt, um eine auf Grund des positiven Wertes des Terms p² von f(p) auftretende negative Nichtlinearität zu korrigieren. Der Wert von x ist Null zu setzen, wenn keine Korrektur der Nichtlinearität erforderlich ist.

Es ergibt sich somit, daß bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel der Meßschaltung die positiven und negativen Nichtlinearitäten des vom Fühler 20 kommenden Ausgangssignals kontinuierlich in vereinfachter Weise durch Einstellen des Abgriffpunktes des zweiten veränderlichen Spannungsteilers R_x der Korrekturschaltung 24 korrigiert werden können.

Fig. 2 zeigt ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Meßschaltung, das sich von dem gemäß Fig. 1 hinsichtlich des Anschlusses der Korrekturschaltung 24 unterscheidet. Insbesondere sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 die Anschlüsse der Zenerdiode 21 mit den Ausgangsanschlüssen des Ausgangsverstärkers 1 verbunden, wobei ein Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 21 und einem Ausgangsanschluß des Ausgangsverstärkers 1 mit dem Anschluß e der Korrekturschaltung 24 verbunden ist, während der Spannungsteilerpunkt des ersten festen Spannungsteilers R₀₁, R₀₂ mit dem Erregerstrom-Erfassungswiderstand R₃ verbunden ist. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 kann der Einstellbereich der positiven Werte der Variablen x erweitert werden, wodurch der Bereich der korrigierbaren positiven Nichtlinearitäten vergrößert werden kann, wenn die Schaltungsparameter identisch mit denjenigen der Meßschaltung gemäß Fig. 1 gewählt sind.

Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Meßschaltung, die sich von denjenigen gemäß Fig. 1 hinsichtlich der Lage des Ortes des Stromspeiseanschlusses des Fühlers 20 und des Erregerstrom-Erfassungswiderstandes R₃ unterscheiden. Im Fall der Meßschaltungen gemäß Fig. 3 und 4 wird die Referenzspannung V_R um einen vorgegebenen Spannungspegel verschoben. Bezüglich der Einrichtung zum Erzeugen des korrigierenden Terms für die positiven und negativen Nichtlinearitäten sind die Meßschaltungen gemäß den Fig. 3 und 4 gleich der gemäß Fig. 1.

Claims

1. Meßschaltung mit

- einem Fühler, der ein elektrisches Signal abhängig von einem zu messenden Weg abgibt,
- einem Ausgangsverstärker, der vom Fühler angesteuert wird,
- einer Erregerschaltung, durch die die Speisung des Fühlers mit einem Erregerstrom (I_s) gesteuert wird, und
- einer Korrekturschaltung, mit der ein Teil der Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers der Erregerschaltung zur zusätzlichen Steuerung des Erregerstroms zugeführt wird, zur Korrektur von Nichtlinearitäten des Ausgangssignal des Fühlers,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgangsverstärker (1) als Spannungs-Stromwandler geschaltet ist,
daß ein Operationsverstärker (22) in der Erregerschaltung (25) zur Steuerung des Erregerstroms (I_s) für den Fühler (20) dient,
daß die Korrekturschaltung (24) aus einer Parallelschaltung eines ersten festen (R₀₁, R₀₂) mit einem zweiten veränderlichen (R_x) Spannungsteiler besteht, die zwischen dem Ausgang des Ausgangsverstärkers (1) und einem Lastwiderstand (6) angeordnet ist,
wobei der Spannungsteilerpunkt des ersten festen Spannungsteilers (R₀₁, R₀₂) mit einem Ende eines Erreger strom-Erfassungswiderstandes (R₃) unmittelbar oder mittelbar über eine Zenerdiode (21) verbunden ist, dessen anderes Ende an einem der Eingänge des Operationsverstärkers (22) liegt und
wobei der Angriffspunkt des zweiten veränderlichen Spannungsteilers (R_x) mit einem Ende eines Widerstandes (R₂) der Erregerschaltung (25) verbunden ist, der zusammen mit einem zusätzlichen Widerstand (R₁) einen weiteren Spannungsteiler zur Abgabe einer Referenzspannung (V_R) bildet, die an den anderen Eingang des Operationsverstärkers (22) angelegt ist.

2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (20) druckempfindliche Elemente (R_g1, R_g2, R_g3, R_g4) aufweist, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, daß die Erregerschaltung (25) einen Transistor (23), der mit dem Fühler (20) zur Versorgung mit dem Erregerstrom (I_s) verbunden ist, aufweist und der Transistor (23) durch den Operationsverstärker (22) gesteuert ist.

3. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Zenerdiode (21) mit einem Erregerstrom-Zuführanschluß (a) des Fühlers (20) verbunden ist.

4. Meßschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (23) und der Erregerstrom-Erfassungswiderstand (R₃) an der Erregerstrom-Ausgangsseite (c) des Fühlers (20) angeordnet sind.

5. Meßschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (23) und der Erregerstrom-Erfassungswiderstand (R₃) an der Eingangsseite (a) des Fühlers (20) für den Erregerstrom angeordnet sind.

6. Meßschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (23) an der Erregerstrom-Ausgangsseite (c) des Fühlers (20) angeordnet ist, und da der Erregerstrom- Erfassungswiderstand (R₃) an der Eingangsseite (a) des Fühlers (20) für den Erregerstrom angeordnet ist.